Il controllo microclimatico passivo : caratterizzazione sperimentale delle isoterme di adsorbimento dei materiali essiccanti e applicazione numerica in ambito museale

Museum conservators have been interested for times in the theme of the microclimatic control. In fact, the indoor climate might be one of the main causes for degradation of museum objects. Inappropriate values or rapid fluctuations of temperature and/or of the air humidity may cause serious and irreparable damages. Moreover, it is difficult making the indoor climate suitable for the preservation of objects. Care of artefacts sensitive to RH in historic buildings especially requires a different approach than in buildings designed as museums. In historic buildings, it is very hard and expensive to install air-conditioning and maintenance and running costs are high in terms of energy. In order to lower energetic consumptions, artefacts are often preserved in showcases and desiccants are used to passively stabilize the hygrometric conditions. This research investigates the highly absorbing materials capacity to dampen RH% variations. The moisture sorption isotherms of conventional materials (silica gel RD, Artsorb, sodium polyacrylate, activated alumina, cellulose) are experimental determined at 23±0.5°C by gravimetric dynamic vapour sorption (DVS) in accordance with BS EN ISO 12571:2000 and compared each other. The aim is severely characterize desiccants with accurate measures. The second objective was to describe the effect of hysteresis by recent empirical model. In fact, every sorption isotherms show hysteresis loop that quite strongly influences the water vapour transport in the material. Finally, this research analyses the reliability of the measured hygroscopic properties and their influence on numerical simulation at lumped parameters is carried out. It is investigated the difference between desiccants performances by forcing and varying external temperature and RH%.

Il tema del controllo microclimatico è da tempo di particolare interesse per i conservatori dei musei. È noto infatti come i parametri ambientali (temperatura, umidità relativa, velocità dell’aria, concentrazione dei contaminanti…) possano innescare o aggravare processi di degradazione che riducono sensibilmente le aspettative di vita di un bene culturale. Ciascun oggetto artistico deve essere mantenuto in predefinite condizioni termoigrometriche e spesso è necessario un impianto di trattamento dell’aria dedicato per ciascuna vetrina espositiva. Tuttavia la necessità sempre crescente di diminuire il fabbisogno energetico per la climatizzazione nei musei pone l’attenzione sulle tecniche di conservazione passive, che hanno il merito di stabilizzare le fluttuazioni di temperatura e di umidità relativa senza consumo di energia. Tutto ciò viene perseguito aumentando l’inerzia termica ed igrometrica delle vetrine espositive, con l’introduzione di opportuni materiali. L’obbiettivo del presente elaborato è quello di analizzare le proprietà igroscopiche dei materiali adsorbenti più comuni (tra cui l’Artsorb, il silica gel RD, il sodio poliacrilato, l’allumina attivata e la cellulosa) al fine di caratterizzarne in maniera rigorosa la capacità d’adsorbire e rilasciare l’umidità contenuta nell’aria ambiente, anche detta moisture buffering capacity. La prima parte di questo lavoro introduce i modelli empirici per la trattazione delle isoterme di adsorbimento e una descrizione delle principali grandezze che le contraddistinguono. Inoltre, sempre nella parte introduttiva, viene fornito un overview delle principali famiglie di essiccanti in commercio. Nella seconda parte vengono descritte le prove effettuate e i dati sperimentali raccolti. Le isoterme di adsorbimento dei materiali sono state ottenute in camera climatica a 23±0.5°C, tramite il metodo gravimetrico. In particolare lo strumento utilizzato è una bilancia termogravimetrica Quantachrome, caratterizzata da un’altissima risoluzione. Inoltre si è analizzata la comparsa di isteresi, fenomeno spesso trascurato, anche se responsabile del decadimento nel tempo delle proprietà igroscopiche del materiale. Si vuole sopperire infatti all’urgenza di dati sperimentali in grado di descrivere in modo scrupoloso l’effetto dei materiali sulla stabilizzazione dell’umidità relativa. Nella parte finale dell’elaborato si è analizzato il rapporto di ciascun materiale con la dinamica di scambio termico e di massa di una vetrina standard: attraverso simulazioni numeriche, fondate sul modello a parametri concentrati, si sono definiti gli aspetti fondamentali, con e senza la presenza di isteresi, al variare delle quantità e delle forzanti esterne.